Kaukolämpöverkkoon sovitetun pienydinvoimalan reaktorissa saavutettava materiaalisäästö
Toreno, Antti (2023)
Toreno, Antti
2023
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202305088375
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202305088375
Tiivistelmä
Tässä opinnäytetyössä tutkitaan ydinvoiman skaalautuvuutta pienydinvoimaksi ja sen käyttömahdollisuuksia kaukolämpöverkon lämmönlähteenä. Työ sisältää teoriaa ydin- ja pienydinvoimasta sekä laskentaa Suomen nykyisistä ydinreaktoreista ja tulevaisuuden kaukolämpökäyttöisistä pienydinreaktoreista hyödyntäen ASME-standardia. Tutkimusmenetelminä käytetään kvalitatiivista analyysia, haastatteluja ja kirjallisuuskatsausta, jossa hyödynnetään lisäksi verkkomateriaalia sekä ASME III paineastiastandardia.
Teoriaosuuden tavoitteena on antaa lukijalle tiivis läpileikkaus ydinvoiman toteutukseen, tilanteeseen maailmalla ja Suomessa sekä verrata suurimpia eroavaisuuksia perinteisemmän ydinvoiman ja kaukolämpökäyttöön soveltuvan pienydinvoiman välillä. Kaukolämpökäyttöön tarkoitettu pienydinvoimala toimii verrattain alhaisessa mitoituslämpötilassa ja paineessa, jolloin myös seinämävahvuus jää perinteisempiä ydinvoimaloita huomattavasti pienemmäksi. Myös turvallisuusjärjestelmät poikkeavat passiivisella toimintaperiaatteellaan Suomessa tällä hetkellä käytössä olevista ydinreaktoreista. Edellä mainitut lähtökohdat antoivat mahdollisuuden vertailla nykypäivän Suomen ydinvoimaa tulevaisuuden sovellutuksiin. Tutkimusongelmana oli selvittää kaukolämpökäyttöön soveltuvan pienydinreaktoripaineastian massa suhteessa tuotettavaan lämpötehoon ja verrata tuloksia jo tuotannossa oleviin reaktoreihin.
Laskentaosuudessa ASME-standardin, haastattelujen ja kirjallisuudesta sekä internetlähteistä hankittujen pohjatietojen avulla laskettiin eri reaktorityyppien minimiseinämävahvuudet, materiaalitilavuudet sekä massat reaktorimalleihin soveltuvien teräslaatujen tiheyksiä hyödyntäen. Eri reaktorityyppien lämpötehojen avulla pystyttiin myös saamaan selville reaktoripaineastioissa käytetyt materiaalikilot suhteessa lämpötehoon (kg/MW) ja eri reaktorien tuottama lämpöteho suhteessa valmistuksessa käytettyyn materiaalikiloon (kW/kg).
Vaikka pienydinreaktori on paineastian massaltaan vain prosenttiosuuksia Loviisan ja Olkiluodon vastaavista, selviää Loviisan painevesireaktorimalli vertailussa tehoperusteisesti laskettuna voittajaksi. Todellisuudessa pienydinvoimalan lämpöteho ja ydinvoimalan sähköteho eivät ole keskenään vertailukelpoisia tuotantotapojen eri hyötysuhteiden vuoksi. Ydinvoima edustaa kuitenkin lähintä vertailukohtaa tutkimuskohteena olevalle pienydinvoimalle. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että todelliset hyödyt pienreaktoreissa saavutetaan materiaalisäästöjen sijaan tulevaisuudessa tyyppihyväksynnän, sarjatuotannon, ympäristöystävällisyyden ja nopean tuotantoasteelle saattamisen kautta. In this thesis, the objective was to find out the scalability of nuclear power to small nuclear power and the possibilities of its deployment as a heat source for a district heating network. The work includes the theory of nuclear and small nuclear power as well as the calculation of Finland's current nuclear reactors and future small nuclear reactors. The research methods consisted of literature review, interviews, and qualitative analysis.
The purpose of the theory section is to give a close overview of the implementation of nuclear power both in Finland and globally, and to compare the most significant differences between more traditional nuclear power and small nuclear power suitable for district heating. A small nuclear power plant intended for district heating operates at a comparatively low design temperature and pressure, which means that the wall thickness in the reactor is also considerably smaller. With the passive operating principle, the safety systems in small power plants also differ from the nuclear reactors currently in use in Finland. The research problem of the work was to determine the mass of a small nuclear reactor pressure vessel suitable for district heating use in relation to the heat output produced and to compare the results with reactors already in production.
In the calculation section the minimum wall strengths, material volumes and masses of different reactor types were calculated using ASME III pressure vessel standard and the densities of the steel grades suitable for the reactor models. Using the thermal outputs of different reactor types, it was also possible to determine the kilograms of material used in reactor pressure vessels in relation to the thermal output (kg/MW).
Although the pressure vessel mass of the small nuclear reactor is only a few percent of that of Loviisa and Olkiluoto, pressurized water reactor model of Loviisa was revealed to be the most efficient in the comparison based on power. However, the heat output of a small nuclear power plant and the electrical output of a nuclear power plant are not comparable due to the different efficiencies of the production methods, but still nuclear power represents the closest comparison point for small power. As a conclusion, it can be stated that in the future, instead of material savings, the real benefits of small nuclear reactors will be achieved through type approval, serial production, environmental friendliness and rapid achievement of production stage.
Teoriaosuuden tavoitteena on antaa lukijalle tiivis läpileikkaus ydinvoiman toteutukseen, tilanteeseen maailmalla ja Suomessa sekä verrata suurimpia eroavaisuuksia perinteisemmän ydinvoiman ja kaukolämpökäyttöön soveltuvan pienydinvoiman välillä. Kaukolämpökäyttöön tarkoitettu pienydinvoimala toimii verrattain alhaisessa mitoituslämpötilassa ja paineessa, jolloin myös seinämävahvuus jää perinteisempiä ydinvoimaloita huomattavasti pienemmäksi. Myös turvallisuusjärjestelmät poikkeavat passiivisella toimintaperiaatteellaan Suomessa tällä hetkellä käytössä olevista ydinreaktoreista. Edellä mainitut lähtökohdat antoivat mahdollisuuden vertailla nykypäivän Suomen ydinvoimaa tulevaisuuden sovellutuksiin. Tutkimusongelmana oli selvittää kaukolämpökäyttöön soveltuvan pienydinreaktoripaineastian massa suhteessa tuotettavaan lämpötehoon ja verrata tuloksia jo tuotannossa oleviin reaktoreihin.
Laskentaosuudessa ASME-standardin, haastattelujen ja kirjallisuudesta sekä internetlähteistä hankittujen pohjatietojen avulla laskettiin eri reaktorityyppien minimiseinämävahvuudet, materiaalitilavuudet sekä massat reaktorimalleihin soveltuvien teräslaatujen tiheyksiä hyödyntäen. Eri reaktorityyppien lämpötehojen avulla pystyttiin myös saamaan selville reaktoripaineastioissa käytetyt materiaalikilot suhteessa lämpötehoon (kg/MW) ja eri reaktorien tuottama lämpöteho suhteessa valmistuksessa käytettyyn materiaalikiloon (kW/kg).
Vaikka pienydinreaktori on paineastian massaltaan vain prosenttiosuuksia Loviisan ja Olkiluodon vastaavista, selviää Loviisan painevesireaktorimalli vertailussa tehoperusteisesti laskettuna voittajaksi. Todellisuudessa pienydinvoimalan lämpöteho ja ydinvoimalan sähköteho eivät ole keskenään vertailukelpoisia tuotantotapojen eri hyötysuhteiden vuoksi. Ydinvoima edustaa kuitenkin lähintä vertailukohtaa tutkimuskohteena olevalle pienydinvoimalle. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että todelliset hyödyt pienreaktoreissa saavutetaan materiaalisäästöjen sijaan tulevaisuudessa tyyppihyväksynnän, sarjatuotannon, ympäristöystävällisyyden ja nopean tuotantoasteelle saattamisen kautta.
The purpose of the theory section is to give a close overview of the implementation of nuclear power both in Finland and globally, and to compare the most significant differences between more traditional nuclear power and small nuclear power suitable for district heating. A small nuclear power plant intended for district heating operates at a comparatively low design temperature and pressure, which means that the wall thickness in the reactor is also considerably smaller. With the passive operating principle, the safety systems in small power plants also differ from the nuclear reactors currently in use in Finland. The research problem of the work was to determine the mass of a small nuclear reactor pressure vessel suitable for district heating use in relation to the heat output produced and to compare the results with reactors already in production.
In the calculation section the minimum wall strengths, material volumes and masses of different reactor types were calculated using ASME III pressure vessel standard and the densities of the steel grades suitable for the reactor models. Using the thermal outputs of different reactor types, it was also possible to determine the kilograms of material used in reactor pressure vessels in relation to the thermal output (kg/MW).
Although the pressure vessel mass of the small nuclear reactor is only a few percent of that of Loviisa and Olkiluoto, pressurized water reactor model of Loviisa was revealed to be the most efficient in the comparison based on power. However, the heat output of a small nuclear power plant and the electrical output of a nuclear power plant are not comparable due to the different efficiencies of the production methods, but still nuclear power represents the closest comparison point for small power. As a conclusion, it can be stated that in the future, instead of material savings, the real benefits of small nuclear reactors will be achieved through type approval, serial production, environmental friendliness and rapid achievement of production stage.